摘要:以十二烷基硫酸钠(SDS)、聚丙烯酸(PAA)复合曲拉通(Tx100)、分散助剂DISPERBYK-180(D-180)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)等4种表面活性剂作为分散剂，采用多种表面活性剂超声分散法分散纳米碳纤维(CNFs)结合紫外/可见分光光度计法、透射电镜(TEM)及场发射扫描电镜(FESEM)观察、Zeta电位法、表面张力测试、静置及离心分离等测试方法，全面地表征了采用不同表面活性剂的CNFs悬浮液的分散状态，探讨了表面活性剂对CNFs在水性体系中分散性的影响.实验结果表明:4种表面活性剂中，SDS对CNFs的分散效果最好，其最佳掺量为1.6 g/L;SDBS的分散效果次之，D-180效果再次，而PAA复合Tx100的分散效果最差.

纳米碳纤维(carbon nanofibers，CNFs)是近十年兴起的一种新型亚微米增强纤维材料，它是化学气相生长碳纤维的一种形式，一般通过裂解气相碳氢化合物制备，是构成以碳黑、富勒烯、单壁和多壁碳纳米管为一端，以连续碳纤维为另一端链节中的一环.CNFs的直径一般在150~400nm之间，与碳纳米管(CNTs)相比，CNFs的制备更易于实现工业化生产.CNFs有着优异的物理性能、力学性能和化学性能.研究表明，CNFs的抗拉强度可以达到2~5 GPa，平均弹性模量为300 GPa.除具有普通气相生长碳纤维的特性，如低密度、高比模量、高比强度、高导电性等性能外，CNFs还具有缺陷数量少、比表面积大、结构致密等优点，这使得CNFs在纳米复合材料领域得到了广泛的应用.然而，纳米复合材料的性能往往会受到两个主要因素的影响，一个是纳米材料在基体材料中的分散程度，另一个是纳米材料表面与基体材料之间的黏结强度和能量.由于受到范德华力的的影响，CNFs彼此吸引并相互缠结在一起，悬浮于水的表面，几乎无法均匀溶解，这大大制约了CNFs在复合材料中的应用.如何解决CNFs在水性体系中的分散已成为研究者广泛关注的热点.

目前对于CNFs在水性体系中分散的研究并不多，且大多参考CNTs的分散方法，主要是表面改性与表面修饰，常用的方法有表面活性剂超声分散和酸化处理.相比较而言，酸化处理虽然可以在管壁嫁接亲水性官能团，但可能会破坏CNTs/CNFs的结构，采用表面活性剂超声分散则更方便易得.然而，CNTs与CNFs在结构和制备工艺上有所不同，使得两者在表面活性剂的选择上存在一定差别.因此，对CNFs在水性体系中的分散性能研究有重要意义.

本实验以十二烷基硫酸钠(SDS)、聚丙烯酸(PAA)复合曲拉通(Tx100)、分散助剂DISPERBYK-180(D-180)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)等4种表面活性剂作为分散剂，采用超声分散法制备了分散均匀的CNFs悬浮液.结合紫外/可见分光光度计法、透射电镜(TEM)及场发射扫描电镜(FESEM)、Zeta电位法、表面张力测试、静置及离心分离法，研究了不同表面分散剂对CNFs在水性体系中分散性的影响，并对分散机理进行了讨论.

1实验

1.1原材料及设备

CNFs购自北京博特万德有限公司，其物理参数如表1所示，其微观结构及形貌如图1所示.SDS(白色针棒状颗粒，AR)购自天津科密欧化学试剂研发中心;PAA(无色液体，AR)购自天津大茂化学试剂厂;Tx100(淡黄色黏稠液体，AR)购自天津大茂化学试剂厂;D-180(乳白色高黏稠液体)由德国毕克公司提供;SDBS(白色粉末，AR)购自天津科密欧化学试剂研发中心.

实验中所用到的仪器设备有:DS-3510DT型超声处理清洗器(工作频率40kHz，功率180W);80-2型离心沉淀机(可调时间0~60min，可调速度0~4000r/min);UV-1600PC型紫外/可见分光光度计(上海美谱达仪器公司);透射电镜(Tecnai G2 Spirit，FEI Co.);场发射扫描电镜(Nova NanoSEM 450，FEI Co.);Zeta-sizer Nano-ZS90激光粒度分析仪(英国MALVERN仪器公司);Delta-8全自动高通量表面张力仪(芬兰Kibron公司).

1.2 CNFs分散悬浮液的制备

表面活性剂超声分散法制备CNFs悬浮液的过程如下:量取55mL蒸馏水，分别溶解不同浓度的SDS、PAA复合Tx100(质量比为1:3)、D-180和SDBS，取出5mL表面活性剂溶液，稀释至20mL，用作紫外/可见分光光度计测试时的参比溶液.分别称取0.01gCNFs溶于剩余50mL分散剂溶液中，机械搅拌10min，超声分散15min，得到CNFs悬浮液.

1.3测试与表征

本实验将紫外/可见分光光度计法、TEM及FESEM测试、Zeta电位测试和表面张力测试相结合，全面地表征CNFs悬浮液的分散效果.紫外/可见分光光度计法通过测定悬浮液的吸光度来定量地表征悬浮液中CNFs的浓度随表面活性剂加入量的变化情况.根据朗伯-比尔定律:

式中:A为吸光度;T为透射比;E为吸收系数;c为溶液浓度;l为光路长度，在l一定的条件下，溶液的吸光度与浓度成正比.CNFs在水性体系中分散得越好，悬浮液的吸光度值越大.同时，CNFs悬浮液的稳定性与它的表面电荷之间存在很大关系，若CNFs表面所带电荷密度较高，可以产生很强的排斥力，从而克服CNFs之间的范德华力，得到分散性良好的CNFs悬浮液.因此，测定悬浮液的Zeta电位可以对CNFs的分散效果加以佐证.此外，表面活性剂一般具有固定的亲水亲油基团，能够在溶液表面定向排列，溶于水后会使液体表面张力下降，从而使不溶或微溶物质能够分散溶解在水中.故测定4种表面活性剂溶液的表面张力也是一种有效的表征手段.采用TEM和FESEM这两种最直观的表征方法，通过在较高放大倍数下观察悬浮液，可以判定CNFs在水性体系中的分散状态是否均匀.最后，采用静置和离心分离法两种方法表征CNFs悬浮液的稳定性.

2结果与讨论

2.1 CNFs的分散性

图24种表面活性剂的分散效果对比

图2为pH=7的条件下，CNFs(质量浓度0.05g/L)悬浮液的Zeta电位及吸光度随表面活性剂浓度的变化情况.由于4种表面活性剂中，SDS与SDBS均为阴离子型表面活性剂，D-180、PAA和Tx100虽为高分子聚合物，但在分散过程中均可电离出阴离子，故悬浮液中CNFs表面的Zeta电位均为负值.从Zeta电位曲线来看，4种悬浮液的Zeta电位绝对值均随表面活性剂浓度的增加而呈现先增大后减小的趋势，期间出现明显峰值.从吸光度曲线来看，4种悬浮液的吸光度曲线也随表面活性剂浓度的增加而先增大后减小，同样存在明显的峰值.综合分析2条曲线可以得出4种表面活性剂的最佳分散浓度:SDS的最佳分散浓度为1.6~g/L，SDBS的最佳分散浓度为2.0~g/L，D-180的最佳分散浓度为30 g/L，PAA复合Tx 100的最佳分散浓度为2.0~g/L.通过横向对比4幅曲线图，可以比较4种表面活性剂在各自最佳分散浓度下对CNFs的分散效果.SDS在最佳分散浓度下得到的CNFs悬浮液Zeta电位绝对值达到60 mV，吸光度达到0.80，均高于其他3种表面活性剂，说明SDS的分散性能最好，形成的CNFs悬浮液稳定性最高.SDBS的分散效果次之，在最佳分散浓度下，CNFs悬浮液的Zeta电位绝对值为56 mV，吸光度达到0.75.再次是D-180，在其最佳浓度下，悬浮液的Zeta电位绝对值为37 mV，吸光度为0.67.分散效果最差的为PAA复合Tx100，所得的CNFs悬浮液的Zeta电位绝对值为38mV，吸光度仅为0.55.